RFID原理介绍

2021年2月17日发(作者：idleness)

RFID

原理介绍

前言

在 科技日益进步的今日，人们在生活当中已习惯运用各种的卡来做数码的辨识，诸如信

用卡 、电话卡、金融卡、门禁卡等等。然而目前世面上的数码数据卡多以接触方式与卡

片阅读 机做数据的交换。在此情况下，长期的使用将会使卡片磨损而造成数据的误认，

并且接触 式卡片有方向性，或需特定之接点的问题，让使用者常因不当操作而使卡片阅

读机无法正 确判读数据。

「无线射频身份辨别系统」，英文名称为

Radio Frequency Identification System

简

称

RFID

，是针对接触式系统的缺点，利用射频讯号 以无线方式传送数码数据，因此识别

卡不需与卡片阅读机接触即可做数据的交换。此种无 线方式的资料传送并无方向性的要

求，且卡片可以置于口袋、皮包内，不必取出就能直接 辨识，免除现代人经常要从数张

卡片中要寻求特定卡片的烦恼，所以增加更多使用上的便 利性。下文将针对「无线射频

身份辨别系统」的原理及应用做进一步的说明。

< p>

一、射频电路工作原理

在无线射频身份辨别系统中，射频电路主要由两大部份功能组 成。一是利用射频讯号充

电，另一为利用射频讯号以负载调变方式进行数据收发

(ASK

方式

)

。

射频充电功能

卡片阅读机与卡端

(Transponder)

间是以交流磁场方式相互耦合。藉由此种耦合方式可以

使

Transponder(

卡端

)

的 天线产生感应电动势

，

并经由二极管

、

电容做整流

、

滤波动作后

，

产生足够让

Transponder

工作所需的电源，与卡片阅读机做数据的传递。由于目前

IC

设

计的技术相当纯熟，因此射频充电所需要的二极管、电容等组件皆设计在

IC

内部。卡端

上面只存留天线

< p>
(PCB

或漆包线绕线皆可

)

< br>以及一颗

IC(

裸

die < /p>

加上仅

2

条线做

wire

bonding)

，勿需外加电源或任何的组件即可 动作，因此在成本上相当的低。

图

1.1 Transponder

之线圈与卡片阅读机之天线耦合

负载调变

在电路行为模式上

，

Transponder

装置的感应线圈与卡 片阅读机的天线可被视为一个耦合

量极小的空心变压器。假设此变压器为理想变压器，如 下图

1.2

，当开关

S1

为开路时，

变压器之二次侧并无电流流过，所以在变压器一次侧亦无电流流过 。当开关闭合时，如

图

1.3

，变压器 之二次侧将串联一电组

R1

，如此一来将会造成在变压器之二次 侧有电流

I1(t)

流过。并且在变压器之一次侧也会有电流< /p>

I2(t)

流过。

图

1.2

理想的变压器在二次侧开路时，一次侧并无电流

图

1.3

当变压器二次侧有负载时，一次侧便会有电流

假设让

S1

的

ON/OFF

随数据所操控，如图

1 .4

所示。当数据为

1

时，开关为开路 ，当数

据为

0

时，开关闭合。并且在变 压器一次侧端加上讯号处理线路，侦测变压器一次端上

所流经电流的变化，如此便可正确 还原变压器二次端所传送的数据。

图

1.4

无线身份识别卡将信息传递至卡片阅读机之原理图

二、卡片阅读机设计原理

于

RFID

系统中，卡片阅读机的角色为

1.

提供稳定的交流讯号

,

让卡端能感应此能量并

充电以利

IC

之动作。

2.

接受卡端所回传的微弱数据讯息，过滤 载波取出数据讯息并再

加以放大。

3.

微处理器处理放大后的数据讯息，以判别卡端的

ID

资料。< /p>

图

2.1

卡片阅读机动作方块图

< p>
本文是以

13.56MHz

为载波系统的卡片阅读 机图做说明。微处理器可以控制

13.56MHz

振

< p>
荡器的开或关，以提供省电的需求。

13.56MHz

的交流讯号藉晶体管将讯号放大，并透过

天线将能量发射出。在卡端有数据回传时， 天线也会收到此讯号。因为数据讯号是载在

载波上的

(

本系统以

ASK

调变方式做说明

)

，所以需先将

13.56MHz

的载波滤除，以得到微

弱的数据讯号，接着再将此讯号放大以供微处理器做辨认。< /p>

在某些应用上，卡片阅读机会配合其 它电路一起做设计，诸如转动马达电路、点亮

LED

等等。此处 要说明的是，卡片阅读机电路是处理微量的电压变化，故当起动转动马达或

其它会耗大电 流的电路时，若电源不稳定时则会影响到卡片阅读机的解调动作。所以当

有需要同时接受 数据，并起动其它会造成电源不稳的电路时，在

PCB

的

Layout

上

地< /p>

的

处理就要相当的注意

< br>(

如依电路特性分别处理

地

，如此才能避免不必要的噪声造成日

后侦错 的困扰。

三、天线的设计

< br>在

RFID

系统中，天线可以看成两个互相耦合的电感， 为了使电感的耦合效率最高，两个

电感的谐振频率必须在工作频率

(13.56MHz)

附近。因此对天线的电感量、相对应的谐振

电容值、以及电感的

Q

值，都会影响着

RFID

系统的效能。

天线电感值

天线的电感值依照不同的 形状、大小、有不同的计算公式。针对公式所计算出来的值与

实际值可能会有

< p>
20%

的误差。且在圈数少

(

如

1

圈

)

，或圈数多时

(

因杂散电容影响

)

会有较

大的误差。若纯粹要以计算方式求得精确的电感值

< p>
(

或电感模型

)

则必须将 所设计之天线

形状、大小输入计算机，再以

3D

或

2D

之电磁场仿真软件仿真之，方可得到精确值。但

是在实际的使用上，大多先以公式概估所需天线的大小、形状、圈数，并进行制作，再< /p>

将制作后的天线量测其电感值并与计算值比较，再进行微调。下面介绍几种常用的电感

计算公式：

Inductance of Spiral Wound Coil with Single Layer (For Transponder, Reader)

Spiral Wound Coil with Signal Layer

Equation:

a = average radius of the coil in cm

N = number of turns

b = winding depth in cm

Inductance of a Flat Square Coil (For Transponder, Reader)

L = in uH

N = number of turns

a = side length in inches

t = thickness in inches

w = width in inches